一种新型电气化铁路串联电容器保护间隙

于 波

(中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院,四川成都 610031)

一种新型电气化铁路串联电容器保护间隙

于 波

(中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院,四川成都 610031)

随着电气化铁路的不断发展,串联电容器补偿装置在牵引供电系统中得到广泛应用,而电容器的过压能力较弱.提出了一种新型保护间隙装置,当发生过电压时,通过触发电路迅速启动.本装置能较好的满足电容器的过压保护要求,并在实际运行中取得了较好效果.

电气化铁路;串联电容器;过压保护;保护间隙;触发电路

0 引 言

在电气化铁路牵引供电系统中,为了解决牵引网电压低下和网压波动影响机车运行的问题,科研人员采用了在牵引变电所馈线中串联电容器组的方法,通过集中的容抗抵消变压器内部感抗和接触网感抗,从而达到改善牵引网电压的目的[1].在牵引馈线或牵引网中的电容器组进行串联,必须针对电容器可能遭受的过电压进行保护,以确保在串联电容器将要出现危险过电压时,能够及时地把串联电容器组旁路.

笔者依据大量工程经验,通过认真的理论分析与试验,并结合电子技术、新材料的发展开发出新一代串联电容器过电压保护装置.该保护装置采用带触发回路,并由两个不同定值的单保护火花间隙组成双间隙系统,其可靠性和灵敏性相对于传统火花间隙有了很大的提高,并可满足不同参数系统的特定要求.

1 保护间隙工作原理

当电气化铁路牵引供电系统接触网馈线发生故障,或非正常电力牵引运行情况产生的故障短路电流,或非正常牵引负荷电流流过接触网馈线首端安装的串联电容补偿装置,导致在串联电容器组两端产生危险过电压时,该过电压将加在间隙的外接端子4、5间[1-3](见图1),即加在主启动间隙、燃烧间隙和电压互感器一次侧端子上,而电压互感器二次侧成比例地反映串联电容器组两端电压,一旦电压达到保护间隙整定值(有效值),触发电路板起动,经R C平波回路输出直流高压,或不小于12 kV的连续触发脉冲,将触发电极与可调球极间构成的间隙击穿,进而在串联电容器组过电压的作用下启动间隙击穿,保护间隙进入工作状态.随后,在电磁力及炽热空气向上动力作用下电弧过渡到燃烧间隙,直到旁路断路器合闸,保护间隙被旁路,或接触网馈线断路器保护分闸,保护间隙电弧熄灭,从而完成一次保护动作[4,5].串联电容器保护间隙装置的结构示意图如图2所示.

图1 保护间隙电路原理图

图2 保护间隙结构示意图

经过大量实验证实：采用触发回路可以提高保护间隙动作的精度,使之不受气候条件的影响,以及经多次动作后启动间隙状况变化的影响;采用燃烧间隙可减轻电弧对启动间隙的烧损,确保启动间隙长期稳定的启动.

2 保护间隙构成

图3 触发电路板原理图

2.1 保护球极

2.1.1 材料选择.

考虑到保护球隙的精度要求不高,但需要通过短路电流的次数较高,而采用铜电极常引起球极表面的烧损.石墨由于其特殊结构而具有耐高温,良好的导电、导热性,化学稳定性,以及抗热震性,故本保护间隙采用石墨作为球极材料.

2.1.2 球极尺寸.

一般情况下,均匀和稍不均匀电场能较准确地测量出球极之间的高电压,其测量误差可达±3%.由于在串联电容补偿装置中,球隙保护的电容器额定电压在1～6 kV,球隙距离很小[4,5].因此,我们采用的主球极和辅助球极为一对外径相同的石墨球.经过实验证明,当球极外径为10 cm时,能满足球间隙在1 cm时,产生的电场为均匀场或稍不均匀场[6].这样,可以较准确地根据击穿电压,确定球间隙距离.同时,通过设置放电尖端和可调球极,使空气介质预电离,从而降低球隙击穿的额定电压.

2.2 触发电路板

当电压互感器二次绕组电压达到整定值时,触发板经过小于10 ms的电路固有延时,输出不低于12 kV的高压触发脉冲,其工作原理如图3所示.

本装置电压互感器有两路输出,分别为测量级和保护级.测量级用于与整定值比较,保护级用于为控制板提供电源和产生高压.定时器用于产生直流脉冲信号.回扫变压器即通常意义上的高压包,用于产生直流高压.通过整定值的设置,使当电压互感器采集到高压时启动回路(即触发回路).此外,触发电路板由电压互感器二次绕组供电,由于采用了大功率MOS管,其工作电压范围可达20～250 V.

3 结 论

本串联电容器保护间隙经过大量工程试运行表明,由于采用了可调触发电路,本装置能保证准确、快速的动作,并与微机保护系统一起构成了完善的串联电容器保护装置,保证了电气化铁路串联补偿设备的可靠运行.

[1]曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京：中国铁道出版社,1987.

[2]贺威俊,简克良.电气化铁道供变电工程[M].北京：中国铁道出版社,1986.

[3]李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社,2007.

[4]张利民.串联电容器补偿技术在电气化铁道扩能改造中的应用[R].成都：西铁科技,1995.

[5]韦庭三,韦 铁.南昆线接触网区间串补过电压保护的改进[J].铁道运营技术,2007,13(4)：45-46.

A New Type of Protection G ap of Series Capacitor Compensation of Electrified Railway

YU Bo

(Institute of Electrization Design,China Railway Eryuan Engineering Group CO.Ltd,Chendu 610031,China)

With the development of electrified railway,the device of series capacitor compensation is widely applied in traction power supply system.But capacitor’s over voltage capability is not effective enough.A new type of protection gap was proposed,when over voltage occurs,it quickly starts by trigger circuit.This device meets the demand of OVP better and receives good result in practice.

electrified railway;series capacitor;OVP;protection gap;trigger circuit

U223.5

：A

1004-5422(2010)02-0157-02

2009-12-25.

于 波(1977—),男,工程师,从事铁道电气化技术研究.